基于细菌群体感应的自杀基因回路的数学建模及其稳定性的研究

发布时间：2017-10-19 17:38

  本文关键词：基于细菌群体感应的自杀基因回路的数学建模及其稳定性的研究

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【摘要】：细菌的自杀行为是自然界的一种常见现象,它是原核生物的一种程序性死亡机制。群体感应(quorum sensing,QS)是细菌细胞间的一种通讯形式。细胞合成并分泌信号分子,当环境中的信号分子浓度达到一定阈值时,一系列基因被激活,细菌种群会同步化地实现某些功能和行为上的改变。基于群体感应的自杀基因回路已经构建,对这一基因回路的系统研究和精确调控在理论和应用上都具有重要意义。本论文以合成生物学的研究思路,以基于群体感应Lux R-Lux I体系的自杀基因回路为研究对象,将数学建模和分子生物学实验结合起来,模拟种群的生长和自杀行为,分析诱导剂IPTG浓度、p H值、温度、营养条件等因素对系统行为的影响,目的是实现系统回路的长期、稳定、可控的运行。本文还深入探讨了营养条件对群体感应Plux启动子的影响,发现了启动子上游两个调控序列对该启动子复杂微妙的调控机制,从而深化了对细菌群体感应的认识。本论文建立的基因回路安装在p Popctrl质粒上,含有该质粒的大肠杆菌在有IPTG存在时会分泌一种信号分子(acyl-homoserine lactone,AHL),当AHL积累到一定阈值时会结合转录因子Lux R,并使之活化为Lux R*。后者启动Plux启动子的转录,Ccd B毒蛋白表达并杀死细胞。本文通过常微分方程构建数学模型来研究菌群的生长和自杀行为。模型以IPTG浓度、p H值、温度以及营养条件为自变量,以不同时间点菌液的菌落形成单位(colony forming unit,CFU)为因变量,模型与实验数据拟合良好。对各参数的独立分析表明:IPTG浓度与Lux R蛋白生成量正相关,IPTG浓度越高,Lux R*越多,Plux启动子启动越频繁,自杀越剧烈。p H值影响AHL分子的降解常数,p H值越大,AHL分子降解越快,信号分子浓度越低,自杀强度变小。温度影响细菌的比生长速率以及Lux R*的解离常数,30℃时,比生长速率较慢,但Lux R*蛋白最稳定,细菌的自杀行为显著强于37℃。营养条件对基因回路的运行和细菌种群的自杀行为有重要影响。在贫营养的M9培养基中,几乎观察不到自杀现象,这暗示着群体感应潜在具有未知的、与营养水平相关的调控机制。为此,本文将Plux启动子下游的ccd B基因替换为绿色荧光蛋白基因,观察不同培养基、不同调控序列作用下的荧光表达情况。实验结果表明:野生型启动子Plux是弱的组成型启动子,有本底水平表达的能力,但其表达量几乎可以忽略,其主要依赖转录因子Lux R*的调控才能启动GFP的大量表达。在启动子Plux上游存在luxbox序列和crp序列两个转录调控区域。在一般情况下,Plux启动子由与luxbox序列相关的lux R/I系统来调控,符合群体感应系统所介绍的调节规律。但当缺乏碳源或者营养匮乏时,c AMP升高,与c AMP结合蛋白结合生成c AMP-CRP蛋白复合物,此复合物能结合在crp序列上,在无AHL信号分子时,也能启动Plux。在有AHL存在时,CRP复合物与crp序列的结合反而阻抑luxbox与启动子Plux结合以及自身本底水平的表达。本文建立的常微分方程的数学模型很好的模拟了细菌自杀回路的运行,对其中各相关因素的影响进行了定量分析,为回路的优化和稳定、可控创造了条件。同时,揭示了群体感应Plux启动子在不同营养条件下的调控机制,深化了对群体感应内在机制的认识,为进一步优化相关基因回路提供了思路。
【关键词】：群体感应 自杀回路 数学建模 Lux R-Lux I 回路优化
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O175;Q93
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-8
• 第一章 综述8-26
• 1.1 合成生物学简介8-9
• 1.2 细胞程序性死亡和细菌自杀行为9-11
• 1.2.1 细胞程序性死亡机制9-10
• 1.2.2 自杀基因ccdB10-11
• 1.2.3 细菌自杀行为11
• 1.3 细菌群体感应系统11-17
• 1.3.1 群体感应信号分子12
• 1.3.2 G-菌的群体感应机制12-14
• 1.3.3 群体感应的类型14-17
• 1.4 基于群体感应的自杀基因回路17-18
• 1.5 数学模型简介18-22
• 1.5.1 表征细菌基因回路的相关模型19-20
• 1.5.2 Hill函数20-22
• 1.5.3 二聚体反应22
• 1.6 群体感应系统回路的分子调控22-24
• 1.6.1 转录调控模块22-23
• 1.6.2 SOS反应23-24
• 1.7 本论文的研究意义24-26
• 第二章 基于群体感应的自杀回路及数学建模26-38
• 2.1 材料和方法26-30
• 2.1.1 实验仪器26
• 2.1.2 实验材料26-28
• 2.1.3 实验方法28-29
• 2.1.4 数学建模及微分方程29-30
• 2.2 结果和分析30-36
• 2.2.1 不同IPTG浓度对细菌自杀行为的影响30-32
• 2.2.2 不同pH值对细菌自杀行为的影响32-34
• 2.2.3 不同温度对细菌自杀行为的影响34-35
• 2.2.4 不同营养条件对细菌自杀行为的影响35-36
• 2.3 讨论36-38
• 第三章不同营养条件下QS系统的稳定性及其影响因素38-60
• 3.1 材料和方法38-50
• 3.1.1 实验材料38-39
• 3.1.2 实验方法39-50
• 3.2 结果和分析50-58
• 3.2.1 St316 在M9 贫营养中生长状况50-51
• 3.2.2 去掉crp和crpbox序列的细菌生长现象51-57
• 3.2.3 蓝白斑实验57-58
• 3.3 讨论58-60
• 第四章 结论与展望60-63
• 4.1 结论60
• 4.2 进一步工作的方向60-63
• 参考文献63-67
• 附录一67-69
• 附录二69-70
• 附录三70-71
• 攻读学位期间取得的研究成果71-72
• 致谢72-74
• 附件74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 刘茜;基于群体感应系统的数学建模与动力学分析[D];上海大学;2013年

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本文编号：1062423